Ультразвуковой генератор

Ультразвуковой генератор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к области электрических измерений параметров импульсных механических нагрузок в виброакустике и физике взрыва, и может быть использовано в качестве генератора эталонных акустических импульсов при тестировании высокочастотной датчиковой аппаратуры.

Известно, что одним из важных этапов предварительной подготовки пьезополимерных высокочастотных датчиков динамических давлений однократного действия на основе пьезопленок поливинилиденфторида (ПВДФ), в том числе высокочастотных микрополосковых датчиков (см., например, 1. Толстиков И.Г., Мартынов А.П., Фомченко В.Н., Погодин Е.П., Долгов В.И. Пьезоэлектрический датчик и способ его изготовления. Патент RU №2258276, БИ №22, 2005. 2. Толстиков И.Г., Мартынов А.П., Фомченко В.Н., Астайкин А.И., Троцюк К.В. Пьезоэлектрический датчик. Патент RU №2262157, БИ №28, 2005) к эксперименту является неразрушающее тестирование (входной контроль) с целью отбора групп датчиков с одинаковой пьезоактивностью и последующая калибровка датчиков каждой группы для корректировки результатов измерений. Для этой цели в настоящее время используются в основном такие известные экспериментальные установки для создания ударных и акустических волн, как различного рода ударные трубы и легкогазовые пушки или мощные импульсные лазеры (см., например, 3. В.В.Селиванов, B.C.Соловьев, Н.Н.Сысоев. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. - М.: Изд-во МГУ, 1990, 265 с.). Обычно необходимая амплитуда зондирующих плоских волн лежит в диапазоне от 10 кПа до 1 МПа, длительность импульсов давления с постоянной амплитудой лежит в субмикросекундном или микросекундном диапазоне, длительность переднего фронта - несколько десятков наносекунд, форма эталонных импульсов давления должна быть близка к прямоугольной (ступеньке), при этом разновременность прихода переднего фронта волны на площадку, размеры которой должны быть существенно больше размеров чувствительного элемента датчика, должна быть значительно меньше длительности переднего фронта импульсов давления. К недостаткам указанных установок, предназначенных, как правило, для создания более мощных ударных волн, чем необходимо для тестирования указанных датчиков, следует отнести их высокую стоимость, сложность технического обслуживания, высокую стоимость отдельного опыта, а также проблемы, связанные с защитой датчиков от разрушения.

Известны способ и устройство для создания ударных волн, используемых в технике, преимущественно в медицинской технике (Werner Hartmann, Joerg Kieser. Apparatus for producing shock waves for technical, preferably medical application. Patent US 6,383,152. Int. Cl.⁷ A61B 17/22. Date of Patent: May 7, 2002). В соответствии с этим изобретением волны давления создают с помощью кратковременного нагрева проводящего электролита, причем с помощью интенсивного электрического импульса электрическая энергия непосредственно и без потерь преобразуется в тепловую энергию электролита. Соответствующее устройство для осуществления способа отличается наличием двух электродов, которые закрывают электролит и соединены с мощным импульсным генератором. Один из электродов обеспечивает выход звуковых волн в среду, распространяющую звук.

Недостатком известного устройства является использование мощного импульсного генератора и жидкой рабочей среды (электролита) для формирования импульса давления, что, несомненно, усложняет установку в целом. Другим недостатком является необходимость охлаждения электролита после опыта, что увеличивает время между отдельными опытами.

Известен ультразвуковой генератор (В.П.Минчук. Ультразвуковой генератор. А.с. 411918, М. Кл. В06В 1/06, Н03h 5/08. Опубл. БИ №3, 1974). В этом ультразвуковом генераторе формирование электрических импульсов возбуждения пьезоэлектрического преобразователя (пьезопреобразователя) осуществляется за счет медленного заряда и быстрого разряда емкости самого преобразователя. Возбуждение упругих колебаний стенок пьезопреобразователя происходит при разряде, когда резко уменьшается напряжение на обкладках пьезопреобразователя и снимается воздействие электрического поля.

Недостатком известного ультразвукового генератора является сильное отличие (искажение) формы генерируемого импульса давления от эталонной вследствие быстрого падения напряжения на пьезопреобразователе при разряде.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности к предлагаемому техническому решению является ультразвуковой генератор (излучатель), работающий в импульсном режиме т.н. ударного возбуждения пьезопреобразователя (4. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля. Под общ. ред. Ермолова И.Н. - М.: Машиностроение, 1986, 280 с., см. с.64, см. также, с.61). Такой ультразвуковой генератор (генератор акустических волн) работает следующим образом. От источника питания через ограничительный резистор предварительно заряжается накопительный конденсатор, который после срабатывания коммутатора разряжается через электрическую цепь (с сосредоточенными оптимальными параметрами), в которую включен (ультразвуковой) пьезопреобразователь.

Таким образом, известный ультразвуковой генератор содержит источник питания, ограничительный (зарядный) резистор, формирующую электрическую цепь с сосредоточенными оптимальными параметрами, включающую накопительный конденсатор и коммутирующее устройство, и пьезопреобразователь с токопроводами, подключенными к названной цепи.

Недостатком всех названных выше известных (аналогов и прототипа) ультразвуковых генераторов (генераторов акустических волн) является использование сосредоточенных элементов (прежде всего накопительного конденсатора) в формирующей электрической цепи, что неизбежно приводит к снижению его частотных характеристик (из-за влияния паразитных индуктивностей), в том числе к увеличению длительности переднего фронта акустического импульса. Другой недостатк - чрезмерные электромагнитные помехи (в зоне размещения тестируемых датчиков), связанные с использованием открытых линий передачи нагружающего электрического импульса.

Как отмечается в работе [4], быстродействие пьезопреобразователей теоретически ограничивается только временем установления ионной поляризации в пьезоматериалах и лежит в пределах 10^-10-10^-13 с. На практике минимальная длительность акустических импульсов, излучаемых обычными пьезопреобразователями из пьезокерамики, составляет единицы наносекунд и ограничивается чисто техническими возможностями создания электронных схем генераторов наносекундной длительности и чистотой обработки излучающей поверхности пьезоэлемента. Проблема в нашем случае осложняется тем, что для достижения максимальных амплитудных значений эталонных импульсов на достаточно большой площади (порядка нескольких квадратных сантиметров) необходимо использовать высоковольтную импульсную (наносекундную) технику без традиционных электронных схем.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании простого импульсного генератора акустических волн (ультразвукового генератора) для тестирования высокочастотных датчиков, отличающегося крутым фронтом (длительностью порядка единиц наносекунд или менее), регулируемой амплитудой (до 1 МПа) и не являющегося источником заметных электромагнитных помех.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в повышении крутизны фронта генерируемых акустических импульсов приблизительно на порядок величины (повышении частоты, расширении частотного диапазона), в возможности формирования эталонных акустических импульсов с неискаженной формой, а также в значительном снижении создаваемых ультразвуковым генератором электромагнитных помех (повышение электромагнитной совместимости ультразвукового генератора и тестируемой с его помощью датчиковой аппаратуры), что в конечном итоге позволяет использовать названный генератор для тестирования высокочастотных датчиков в качестве генератора эталонных акустических импульсов.

Для достижения указанного технического результата в заявленном ультразвуковом генераторе, содержащем источник питания, ограничительный резистор, формирующую электрическую цепь, включающую накопительный конденсатор и коммутирующее устройство, и пьезопреобразователь с токопроводами, подключенными к названной цепи, новым является то, что элементы формирующей цепи и пьезопреобразователь конструктивно выполнены в виде единой осесимметричной конструкции с тремя изолированными друг от друга токопроводящими оболочками, в которой накопительный конденсатор выполнен в виде тонкостенного цилиндра, обкладками которого служат перекрывающиеся части средней и внутренней оболочек, пьезопреобразователь размещен у одного из торцов накопительного конденсатора и снабжен демпфером, расположенным во внутренней полости указанного конденсатора, внешняя оболочка выполнена замкнутой и служит обратным токопроводом пьезопреобразователя, прямым токопроводом которого служит одна из обкладок конденсатора, при этом коммутирующее устройство соединено с другой обкладкой конденсатора и внешней оболочкой и размещено внутри нее.

Кроме того, для получения разделенных по времени эталонных акустических импульсов сжатия и растяжения пьезопреобразователь выполнен в виде плоскопараллельной пьезопластины, дополнительно введены коммутирующее устройство, включенное между внутренней и средней оболочками, и устройство управления коммутирующими устройствами.

Техническая сущность предлагаемого технического решения заключается в выполнении (совмещении, объединении) формирующей цепи, включающей накопительный конденсатор и коммутирующее устройство, и пьезопреобразователя, а также соединяющих их токопроводов, в виде единой осесимметричной (высокочастотной и высоковольтной) закрытой линии передачи с распределенными параметрами, в которой использованы элементы полосковых линий и коаксиальных радиочастотных кабелей (см, например, 5. Г.А.Месяц. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Сов. Радио, 1974. 6. Справочник по элементам полосковой техники. Под ред. А.Л.Фельдштейна. - М.: Связь, 1979. 336 с.). Это позволяет минимизировать как уровень создаваемых ультразвуковым генератором электромагнитных помех, так и величину паразитной индуктивности формирующей цепи, включающую накопительный конденсатор и коммутирующее устройство, и пьезопреобразователя с токопроводами, подключенными к названной цепи, что позволяет обеспечить требуемую крутизну фронта электрического импульса, поступающего на пьезопреобразователь, и следовательно, требуемую крутизну фронта генерируемого ультразвуковым генератором импульса давления.

При этом (осесимметричный) пьезопреобразователь механически совмещен с демпфером, обеспечивающим практически полную компенсацию входящих в него акустических волн, что способствует формированию эталонных импульсов давления, увеличивает прочность конструкции генератора и препятствует отрицательному воздействию генерируемых импульсов давления на его элементы. К тому же размещение пьезопреобразователя непосредственно в названной линии передачи, а демпфера во внутренней полости указанного конденсатора существенно снижает геометрические размеры ультразвукового генератора и делает более компактным размещение элементов формирующей цепи, что также снижает паразитную индуктивность последней.

Накопительный конденсатор выполнен в виде тонкостенного цилиндра, что существенно снижает его паразитную индуктивность и позволяет повысить его емкость до требуемой величины, значительно превышающей собственную емкость пьезопреобразователя и обеспечивающей накопление в конденсаторе достаточной энергии для формирования электрического импульса (напряжения) с практически постоянной амплитудой на электродах пьезопреобразователя в течение времени, необходимого для возбуждения в последнем эталонного импульса давления с прямоугольной формой.

Кроме того, пьезопреобразователь выполнен в виде плоскопараллельной пьезопластины, совершающей упругие колебания по толщине, дополнительно введены второе коммутирующее устройство, включенное между внутренней и средней оболочками, и устройство управления коммутирующими устройствами. Интервал времени между моментами срабатывания последних выбран меньше полупериода собственных колебаний пьезопластины. Это позволяет получить разделенные по времени эталонные акустические импульсы сжатия и растяжения (см. ниже). При этом последовательность формирования названных импульсов на выходе ультразвукового генератора обратима и зависит от полярности нагружающего пьезопреобразователь электрического импульса (точнее, от взаимного расположения вектора напряженности электрического поля и полярной оси пьезоматериала).

На фиг.1 представлен вариант конструкции заявленного ультразвукового генератора с одним коммутирующим устройством. На фиг.2 приведена упрощенная электрическая схема для ультразвукового генератора на фиг.1. На фиг.3 представлен вариант конструкции заявленного ультразвукового генератора с двумя коммутирующими устройствами. На фиг.4 приведена упрощенная электрическая схема для ультразвукового генератора на фиг.3.

Ультразвуковой генератор с одним коммутирующим устройством на фиг.1 (см. также обозначения на фиг.2) содержит корпус 1 с крышкой 2, пьезопреобразователь (С_п) 3 с электродами 4, 5 и демпфером 6, накопительный конденсатора (С_н) 7 с обкладками 8 и 9, коммутирующее устройство (Р) 10 с выходом к устройству (блоку) управления (БУ), шунтирующее сопротивление (Z) 11 и токовыводы 12, 13 и 14 цепи заряда накопительного конденсатора 7. Накопительный конденсатор 7 выполнен в виде тонкостенного цилиндра, во внутренней полости которого размещен демпфер 6. Двумя стрелками справа на фиг.1 отмечены места подключения цепи ограничительного резистора (R) и источника питания (U₀) (на фиг.1 не показаны, см. фиг.2). Стрелками слева на фиг.1 показано направление распространения выходного акустического импульса ультразвукового генератора от выходного (лицевого) электрода 4 пьезопреобразователя 3 во внешнюю среду. При этом элементы формирующей цепи (7, 10) и пьезопреобразователь 3 конструктивно выполнены в виде единой осесимметричной конструкции с тремя изолированными друг от друга (с помощью изолятора 15, диэлектрического материала накопительного конденсатора 7 и пьезоматериала пьезопреобразователя 3) токопроводящими оболочками, которые используются для обеспечения электрических и механически соединений элементов ультразвукового генератора в целом. Внешняя замкнутая оболочка состоит из корпуса 1, крышки 2 и выходного электрода 4 пьезопреобразователя 3 и используется также для соединения пьезопреобразователя 3, коммутирующего устройства 10, токовывода 14 и крепления токовывода 12 с помощью изолирующей втулки 16. Внутренняя оболочка, выполненная в виде стакана, состоит из внутренней обкладки 8 накопительного конденсатора 7, внутреннего (тыльного) электрода 5 пьезопреобразователя 3 и промежуточной части 17, соединяющей токопроводы пьезопреобразователя 3 и накопительного конденсатора 7. Средняя оболочка, также выполненная в виде стакана, состоит из внешней обкладки 9 накопительного конденсатора 7 и донной части 18, используемой для соединения токовывода 12, коммутирующего устройства 10 и крепления шунтирующего сопротивления 11 и токовывода 13 с помощью изолирующей втулки 19. Пьезопреобразователь 3 размещен у одного из торцов накопительного конденсатора 7, обкладками 8 и 9 которого служат перекрывающиеся части средней и внутренней оболочек. Внешняя оболочка служит обратным токопроводом пьезопреобразователя 3, прямым токопроводом которого служит одна из обкладок (8 на фиг.1 в рассматриваемом варианте) конденсатора 7, при этом коммутирующее устройство 10 соединено с другой обкладкой (9 на фиг.1 в рассматриваемом варианте) конденсатора 7 и внешней оболочкой и размещено внутри нее. Отметим, что в соответствии с формулой изобретения возможен другой вариант выполнения конструкции ультразвукового генератора, который формально можно получить, поменяв местами в приведенном выше описании слова «средняя» и «внутренняя» (оболочка), а также соответственно «внешняя» и «внутренняя» (обкладки).

Отметим, что в варианте выполнения ультразвукового генератора с одним коммутирующим устройством (см. фиг.1 и 2) в качестве последнего может быть использован как управляемый, так и неуправляемый разрядник. В варианте с двумя коммутирующими устройствами (см. фиг.3 и 4) используются управляемые разрядники, например вакуумные искровые разрядники типа ВИР (см. ссылку [5], с.87-92).

Ультразвуковой генератор с двумя коммутирующими устройствами на фиг.3 (см. также обозначения на фиг.4) в отличие от предыдущего варианта содержит дополнительно второе коммутирующее устройство 20, включенное между внутренней и средней оболочками, т.е. параллельно конденсатору 7, с помощью дополнительного токовывода 21, и устройство управления двумя коммутирующими устройствами (P₁, Р₂) 10 и 20. Второе коммутирующее устройство 20 (и токовывод 21) принадлежит формирующей цепи и размещается непосредственно за демпфером по оси симметрии. Устройство управления (блок управления БУ) коммутирующими устройствами 10 и 20 размещается аналогично источнику питания (на фиг.3, 4 не показан). При этом пьезопреобразователь 3 выполнен в виде плоскопараллельной пьезопластины, совершающей упругие колебания по толщине, а интервал времени между моментами срабатывания коммутирующих устройств 10 и 20 выбран меньше полупериода собственных колебаний пьезопластины.

Ультразвуковой генератор функционирует следующим образом (см. фиг.1-4). Тестируемые высокочастотные датчики (см., например, ссылки [1 и 2]) размещаются предварительно на выходной поверхности ультразвукового генератора (выходном электроде 4 пьезопреобразователя (С_п) 3), на которой может быть нанесена путем напыления диэлектрическая пленка, а также сами датчики, например, на основе ленгмюровских ультратонких пьезопленках (см. [2]) Затем от источника питания (U₀) через ограничительный резистор (R), шунтирующее сопротивление (Z) 11 и токовыводы 12, 13 и 14 медленно заряжается накопительный конденсатор 7. После срабатывания коммутатора 10 в момент времени t=0 накопительный конденсатор 7 быстро разряжается через формирующую электрическую цепь, в которую включен (ультразвуковой) пьезопреобразователь 3. При этом, как известно, шунтирующее сопротивление (Z) 11 выбирается таким образом, чтобы на высоких частотах оно было значительно больше сопротивления пьезопреобразователя (С_п) 3, поэтому ток разряда накопительного конденсатора 7 во время формирования выходного импульса давления протекает в основном через пьезопреобразователь. Кроме того, поскольку емкость накопительного конденсатора (С_п) 7 значительно больше емкости пьезопреобразователя (С_п) 3, то форма импульса напряжения U(t) на пьезопреобразователе 3 близка к прямоугольной ступеньке с амплитудой, практически равной напряжению источника U₀ в течение времени, необходимого для возбуждения в последнем эталонного импульса давления (см. ниже).

В качестве преобразователя 3, имеющего наиболее простую конструкцию, может быть использован, например, пьезоэлемент в виде диска из кварца х-среза (см. фиг.1) толщиной d с электродами на основаниях 4 и 5, размещенный вплотную с демпфером 6. Демпфер 6, выполненный, например, из эпоксидной смолы с вольфрамовым порошковым наполнителем, акустически согласован с пьезоэлементом преобразователя 3 и обеспечивает быстрое поглощение входящих в него акустических волн. Работа такого преобразователя 3 основана на том, что акустические сигналы возникают на поверхностях (основаниях), несущих электроды 4 и 5 (см., например, [4]). Если в момент времени t=0 (срабатывания коммутирующего устройства) преобразователь возбудить электрическим импульсом U(t) длительностью t₀, то на электродах 4 и 5 появляются свободные электрические заряды и вследствие обратного пьезоэффекта оба его основания приходят в движение. Каждое основание работает как источник двух ультразвуковых волн (сжатия и растяжения), излучаемых в двух направлениях по оси симметрии генератора: в объем пьезоэлемента и во внешнюю среду (демпфер). Отметим, что все волны, прошедшие влево через тыльную поверхность (5), поглощаются демпфером 6, отражение на тыльной поверхности (5) отсутствует. В результате на лицевой поверхности (4) возникает два акустических импульса: первый импульс, излучаемый лицевой стороной (4) с момента времени t=0; второй импульс, излучаемый с момента времени t=0 тыльной поверхностью (5) и приходящий на лицевую поверхность (4) в момент t=Т=d/c (где с - скорость упругих волн в кварце), то есть с задержкой, соответствующей времени распространения упругой волны по пьезоэлементу. Форма обоих импульсов давления σ(t) (механического напряжения) одинакова и совпадает с формой нагружающего импульса U(t) (для высокочастотных пьезоматериалов типа кварца) / см., например, Кайно Г. Акустические волны: Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, 656 с., см. с.58/, т.е. является близкой к прямоугольной. Важно отметить, что при любой длительности t₀ нагружающего импульса U(t) в интервале времени 0≤t<Т форма импульса давления на лицевой поверхности (4) соответствует эталонной.

Временная диаграмма импульсов давления σ(t) зависит от длительности t₀ нагружающего импульса U(t) следующим образом: при t₀>d/c=Т, т.е. в случае с одним коммутирующим устройством импульсы σ(t) накладываются друг на друга с момента t=Т в интервале Т<t≤t₀; при t₀<d/c=Т, т.е. в случае с двумя коммутирующими устройствами, когда второе коммутирующее устройство 20 срабатывает в момент времени t=t₀<d/c, она имеет вид двух импульсов взаимно противоположной полярности, следующих через интервал времени T. При этом вследствие различных граничных условий (условий акустического согласования) на тыльной (5) и лицевой (4) поверхностях пьезоэлемента амплитуда второго импульса приблизительно в два раза меньше первого. Поэтому даже при наложении импульсов амплитудное значение давления не превосходит амплитуды первого импульса σ₀.

Зависимость σ(t) и значение σ₀ можно определить из уравнения обратного пьезоэффекта:

σ(t)=e·E(t)=e·U(t)/d,

σ₀=е·Е₀=е·U₀/d,

где е - пьезоконстанта пьезоматериала, е=е₁₁ для кварца х-среза,

E(t), Е₀ - напряженность электрического поля.

Амплитуда акустического импульса σ₀ (в пьезоматериале) может принимать следующие значения (или меньше): для кварца σ₀=0,9 МПа при Е₀=5 кВ/мм (е₁₁=0,18 Кл/м²), для пьезокерамики ЦТС-21 σ₀=6,73 МПа при Е₀=1 кВ/мм, для пьезокерамики титаната бария ТБ-1 σ₀=12,7 МПа при Е₀=1 кВ/мм.

Расчетная длительность импульсов давления с постоянной амплитудой лежит в субмикросекундном или микросекундном диапазоне, длительность переднего фронта - несколько наносекунд. При этом длительность генерируемого акустического импульса определяется длительностью Т полупериода собственных колебаний пьезопластины (для варианта конструкции с одним коммутирующим устройством) или длительностью t₀<d/c=Т нагружающего электрического импульса, равной интервалу времени между моментами срабатывания коммутирующих устройств.

Таким образом, выполнение ультразвукового генератора в соответствии с предлагаемым изобретением приводит к повышению крутизны фронта генерируемых акустических импульсов приблизительно на порядок величины, к возможности формирования эталонных акустических импульсов с неискаженной формой, а также к значительному снижению создаваемых ультразвуковым генератором электромагнитных помех, что в конечном итоге позволяет использовать названный генератор для тестирования высокочастотных датчиков в качестве генератора эталонных акустических импульсов.

1. Ультразвуковой генератор, содержащий источник питания, ограничительный резистор, формирующую электрическую цепь, включающую накопительный конденсатор и коммутирующее устройство, и пьезопреобразователь с токопроводами, подключенными к названной цепи, отличающийся тем, что элементы формирующей цепи и пьезопреобразователь конструктивно выполнены в виде единой осесимметричной конструкции с тремя изолированными друг от друга токопроводящими оболочками, в которой накопительный конденсатор выполнен в виде тонкостенного цилиндра, обкладками которого служат перекрывающиеся части средней и внутренней оболочек, пьезопреобразователь размещен у одного из торцов накопительного конденсатора и снабжен демпфером, расположенным во внутренней полости указанного конденсатора, внешняя оболочка выполнена замкнутой и служит обратным токопроводом пьезопреобразователя, прямым токопроводом которого служит одна из обкладок конденсатора, при этом коммутирующее устройство соединено с другой обкладкой конденсатора и внешней оболочкой и размещено внутри нее.

2. Ультразвуковой генератор по п.1, отличающийся тем, что пьезопреобразователь выполнен в виде плоскопараллельной пьезопластины, дополнительно введены коммутирующее устройство, включенное между внутренней и средней оболочками, и устройство управления коммутирующими устройствами.